Разработан материал, который является теплоизоляционным и теплопроводящим одновременно

 

Пенопласт или медь – оба материала имеют очень разные свойства в отношении их способности проводить тепло. Ученые из Института исследований полимеров Макса Планка (MPI-P) в Майнце и Университета Байройта совместно разработали и охарактеризовали новый, чрезвычайно тонкий и прозрачный материал, который имеет различные свойства теплопроводности в зависимости от направления. Хотя он может очень хорошо проводить тепло в одном направлении, он показывает хорошую теплоизоляцию в другом направлении.

Теплоизоляция и теплопроводность играют решающую роль в нашей повседневной жизни – от компьютерных процессоров, где важно максимально быстро рассеивать тепло, до домов, где хорошая теплоизоляция необходима для уменьшения затрат на электроэнергию. Часто чрезвычайно легкие, пористые материалы, такие как полистирол, используются для изоляции, в то время как тяжелые материалы, такие как металлы, используются для отвода тепла. Недавно разработанный материал, который ученые из MPI-P  разработали и охарактеризовали совместно с Университетом Байройта, теперь может сочетать оба свойства.

Материал состоит из чередующихся слоев тонких пластин из стекла, между которыми вставлены отдельные полимерные цепи. «В принципе, наш материал, изготовленный таким образом, соответствует принципу двойного остекления», – говорит Маркус Реч, профессор Университета Байройта. «Это показывает только то, что у нас есть не только два слоя, а сотни».

Хорошая теплоизоляция наблюдается перпендикулярно слоям. В микроскопических терминах тепло – это движение или колебание отдельных молекул в материале, которое передается соседним молекулам. Создавая много слоев друг над другом, этот перенос уменьшается: каждый новый пограничный слой блокирует часть тепла. Напротив, тепло в слое может проводиться хорошо – нет ограничений, которые блокировали бы тепловой поток. В целом теплообмен внутри слоя в 40 раз выше, чем перпендикулярно ему.

Теплопроводности вдоль слоев сравнимы с теплопроводностью термопасты, которая используется, помимо прочего, для применения теплоотвода с компьютерных процессоров. Для электроизоляционных материалов на основе полимера/стекла эта величина исключительно высока – она ​​превышает таковую у имеющихся в продаже пластиков в шесть раз.

Чтобы материал функционировал эффективно, а также был прозрачным, слои должны были быть изготовлены с очень высокой точностью – любая неоднородность могла бы нарушить прозрачность, подобную царапине на куске оргстекла. Каждый слой имеет высоту всего лишь одну миллионную часть миллиметра, т.е. один нанометр. Чтобы исследовать однородность последовательности слоев, материал был охарактеризован группой Йозефа Бреу, профессора неорганической химии в Университете Байройта.

«Мы используем рентгеновские лучи для освещения материала», – говорит Бреу. «Наложив эти лучи, которые отражаются отдельными слоями, мы смогли показать, что слои можно получать очень точно».

Профессор Фитас, сотрудник отдела профессора Ханса-Юргена Бутта, смог дать ответ на вопрос, почему эта слоистая структура обладает такими необычайно разными свойствами вдоль или перпендикулярно отдельным стеклянным пластинам. Используя специальное лазерное измерение, его группа смогла охарактеризовать распространение звуковых волн, которое подобно теплу также связано с движением молекул материала. «Этот структурированный, но прозрачный материал отлично подходит для понимания того, как звук распространяется в разных направлениях», – говорит Фитас. Различные скорости звука позволяют сделать прямые выводы о механических свойствах, зависящих от направления, которые недоступны никаким другим методам.

В своей дальнейшей работе исследователи надеются получить лучшее понимание того, как на распространение звука и тепла может влиять структура стеклянной пластины и полимерная композиция. Исследователи видят возможное применение в области высокоэффективных светодиодов, в которых стекло-полимерный слой служит, с одной стороны, в качестве прозрачной оболочки, а с другой стороны, может рассеивать выделяемое тепло в боковом направлении.

 

https://econet.ru/articles/razrabotan-material-kotoryy-yavlyaetsya-teploizolyatsionnym-i-teploprovodyaschim-odnovremenno